噪声强度检测器的设计

基于单片机 MSP430G2553 的噪声 强度监测器的设计 院 系自动化与电气工程学院 专 业电气工程及其自动化 班 级电气 1201 班 联系电话 学生姓名温可瑞 闫维维 指导教师张文婷 负责教师张文婷 兰州交通大学 2014 年 6 月 兰州交通大学创新实验设计报告 摘要 摘要 噪声对人体健康有着严重的危害 因此减少噪声危害已成为当前一项重 要的任务 环境噪声强度监测 是人类提高生活质量 加强环境保护的一个重要环 节 本文详细介绍了噪声强度监测器的工作原理和检测模块的整体组成 包括 噪 声信号的数据采集 放大 峰值检波 MSP430G2553数据处理和显示器的设计 外界 噪声信号通过传声器转换成音频信号 电信号经过放大 检波和ADC变换输入到单片 机进行处理 并转换成相应的噪声分贝值通过TFT显示 从而实现噪声的实时监测 该器具有实现简单 精确度高 可用于实际进行噪声的实时监测等特点 关键词关键词 单片机MSP430G2553 检波放大 TFT 兰州交通大学创新实验设计报告 目录目录 一 一 绪论绪论 1 1 设计背景 1 2 噪声简介 1 3 设计任务 1 4 设计意义 1 5 内容安排 二 二 噪声强度监测器的方案设计噪声强度监测器的方案设计 2 1 噪声强度检测器的任务分析 2 2 硬件设计方案 2 3 软件设计方案 三 噪声强度监测器的硬件设计三 噪声强度监测器的硬件设计 3 1 传声器 3 2 硬件电路组成 四 噪声强度监测器的软件设计四 噪声强度监测器的软件设计 4 1 实际运行程序 五 调试与分析五 调试与分析 5 1 调试故障及原因分析 5 2 测试结果分析 六 结论六 结论 七 参考文献七 参考文献 兰州交通大学创新实验设计报告 1 一 绪论一 绪论 1 1 设计背景设计背景 噪声即噪音 是一类引起人烦躁 或音量过强而危害人体健康的声音 噪声通 常是指那些难听的 令人厌烦的声音 噪音的波形是杂乱无章的 从环境保护的角 度看 凡是影响人们正常学习 工作和休息的声音凡是人们在某些场合 不需要的声 音 都统称为噪声 如机器的轰鸣声 各种交通工具的马达声 鸣笛声 人的嘈杂 声及各种突发的声响等 均称为噪声 噪声污染属于感觉公害 它与人们的主观意 愿有关 与人们的生活状态有关 因而它具有与其他公害不同的特点 噪音污染主要来源于交通运输 车辆鸣笛 工业噪音 建筑施工 社会噪音如 音乐厅 高音喇叭 早市和人的大声说话等 环境噪声监测 是人类提高生活质量 加强环境保护的一个重要环节 在各大 城市的繁华街区和居民区 已有大型环境噪声显示器竖立街头 但目前国内的便携 式噪声测试仪 多为价格昂贵的进口专用设备 除卫生 计量等环保专业部门拥有 外 无法作为民用品推广普及 本文介绍一种以 89C52 单片机为核心 采用 V F 转 换技术构成的低成本 便携式数字显示环境噪声测量仪 该仪器工作稳定 性能良 好 经校验定标后能满足一般民用需要 可广泛应用于工矿企业 机关学校等需要 对环境噪声进行测量和控制的场合 噪声测量一般有如下几个方面的目的 测量声压级以了解噪声对环境的污染情 况 检验噪声是否符合有关标准 进行噪声信号的频谱分析 以了解噪声的频率结 构 测量噪声源的声功率或声功率级 以客观了解噪声源特性 按测量环境来分 噪声测量分实验室测量和现场测量两种 所谓噪声的实验室 测量是指将被测对象放在消声室或混响室中测量 其测量的精度比较高 但由于条 件的限制 大多情况下只能进行现场测量 为了更客观地表示仪器设备的噪声源特性 往往需要测量噪声源的声功率级 因为在一定的工作状态下 仪器的声功率级是一个恒量 它不象声压级随距离的改 变而改变 但声功率级是不能直接测出的 它是在特定条件下 由测得的声压级计 兰州交通大学创新实验设计报告 2 算而得到的 此处仅对常用的自由场法作一简单的介绍 设是以噪声源为中心 r 为半径的球面 S 上数个测点测出的平均声压级 RPL 应选择得足够大 一般为被测对象尺寸的两倍 设参考面积 S0 为 1 则在自由场 中的声功率级为 W L 11lg20lg10 00 0 dBKrLK S S LLPP W 1 1 如仪器放在坚硬的地面上 此时声源以半球面辐射 于是式 1 1 化为 8lg202lg10 00 2 KrLKrLLPP W 1 2 式中 为非标准气压和温度状态时的修正量 按下式求得 0 K PL 0 lg20 p p Lp 1 3 式中 为个测点平均声压 为第 个测点的声压 为基 2 1 2 n p p i n i p i 0 p 准声压 为了满足自由场条件 此时 距离声源为和两点处的声压级应满足下列关 1 r 2 r 系 1 2 21 lg20 r r LL pp 1 4 当时 即在自由场中距离加倍 噪声级减少2 1 2 r r 6lg20 1 2 21 dB r r LL pp 6dB 据此 可以判断声场是否为自由场 本文所述的测量器主要是考虑人耳对噪声的主观评价 因此采用声功率级测量 即外界噪声信号通过传声器转换成音频信号 经过放大和 V F 变换输入到单片机进 行处理 并转换成相应的 DB 值通过 TFT 显示 从而实现噪声的实时监测 兰州交通大学创新实验设计报告 3 1 2 噪声简介噪声简介 1 噪声概念 物理学定义 噪声是发生体做无规则时发出的声音 生理学定义 凡是妨碍人们正常休息 学习和工作的声音 以及对人们要听的 声音产生干扰的声音 从这个意义上来说 噪声的来源很多 街道上的汽车声 安静的图书馆里的说 话声 建筑工地的机器声 以及邻居电视机过大的声音 都是噪声 总体讲 噪音是物体振动产生 2 噪声对人的危害 随着工业生产 交通运输 城市建筑的发展 以及人口密度的增加 家庭设施 音响 空调 电视机等 的增多 环境噪声日益严重 它已成为污染人类社会环 境的一大公害 噪声具有局部性 暂时性和多发性的特点 噪声不仅会影响听力 而且还对人的心血管器 神经器 内分泌器产生不利影响 所以有人称噪声为 致人 死命的慢性毒药 噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面 干扰休息和睡眠 影响工作效率 干扰休息和睡眠 使工作效率降低 损伤听觉 视觉器官 强的噪声可以引起耳部的不适 如耳鸣 耳痛 听力 损伤 噪声对视力的损害 对人体的生理影响 损害心血管 对女性生理机能的损害 噪声还可以引起 如神经器功能紊乱 精神障碍 内分泌紊乱甚至事故率升高 3 防治噪声污染的一些办法 营造隔音林 将噪声污染严重的企业搬离市区 源头处预防 传播过程消减 4 噪声的利用 噪声一向为人们所厌恶 但是 随着现代科学技术的发展 人们也能利用噪声 造福人类 虽然噪音是世界四大公害之一 但它还是有用处的 利用噪声除草 利用噪声发电 兰州交通大学创新实验设计报告 4 利用噪声来制冷 利用噪声除尘 利用噪声克敌 利用噪声诊病 利用噪声有源消声 5 人对不同声强的感觉 无法忍受 150dB 130dB 感到疼痛 130dB 110dB 很吵 110dB 70dB 较静 70dB 50dB 安静 50dB 30dB 极静 30dB 10dB 无声 0dB 1 3 设计任务设计任务 查阅资料 了解设计背景 了解环境噪声的特点 学习 掌握传声器测量基本 原理 合理选择噪声测量传感器 掌握其测量原理及应用 学习单片机 MSP430 原 理 熟悉单片机器设计和软件编程 进行器硬件电路设计 包括传声器测量器设计 单片机器程序设计 编写程序 仿真调试 仿真调试通过后 固化程序 脱离开发 器运行 在实验室进行环境模拟 测试器 完成器合理调试 1 4 设计意义设计意义 噪声是日常生活中常见的物理现象 在大多数情况下 噪声是有害的 噪声在 生理和心理上也会危害人类的健康 因而已被列入需要控制的危害之一 无论是利 用噪声还是防止噪声 都必须确定其量值 噪声的测量不仅在噪声研究领域里占有 重要的地位 而且已经广泛应用于机械制造 建筑工程 地球物探 生物医疗等各 个领域具有重要意义 兰州交通大学创新实验设计报告 5 1 5 内容安排内容安排 本文按噪声强度监测器构造的不同部分分别进行了介绍 首先在绪论中简要地 介绍研究噪声监测的意义以及有关于噪声的一些的基础知识 二是噪声强度监测器 的总体设计 主要包括硬件和软件设计两部分 三是噪声强度监测器硬件设计 本 章主要介绍了传声器 交直流转换电路 ADC 转换电路以及数据的采集 处理和显 示部分的设计 四是噪声监测的器软件设计 本章主要介绍单片机编程以及主程序 设计 数据的采集 处理 显示等功能 五是调试与结果分析 说明了硬件调试 软件调试及软硬联调的过程 并介绍了调试过程中出现的问题和解决的办法 二 噪声强度监测器的方案设计二 噪声强度监测器的方案设计 2 1 噪声强度监测器任务分析噪声强度监测器任务分析 本设计的任务是要完成基于 MSP430 单片机的噪声强度监测器的设计 主要是 设计以单片机为核心的便携的噪声测量器 实现环境噪声的实时测量和 TFT 数字显 示 给出噪声水平的大致指示 基于本次任务 该设计方案由硬件和软件两部分组成 噪声测量仪的硬件电路 器 包括噪声信号的转换 放大 交直流转换与以及单片机器的硬件电路 TFT 显 示电路等 软件部分主要是用单片机语言编程 实现对信号的采集 转换及显示 在遵循软硬件相结合的原则下 先进行硬件电路的设计 再进行软件编程 进行模 块化设计 并对各模块进行调试 最后进行软硬件联合调试和故障的排除 2 2 硬件设计方案硬件设计方案 硬件结构框图如图 2 1 所示 环境噪声经驻极体传声器转换成电信号 放大电 路由运放 LMV358 构成 精心调整相关外围元件参数 可使其输出幅频特性满足测 量要求的电压信号 通过峰值检波后 输出频率信号变为 TTL 电平送给单片机的 P1 7 引脚 经软件处理后 噪声声压级显示值输出 驱动 TFT 数码管显示 兰州交通大学创新实验设计报告 6 噪 声 传 声 器 峰 值 检 波 ADC 转 换 电 路 单 片 机 TFT 显 示 图 2 1 硬件结构框图 传声器是将声波信号转换成电信号的传感器 是噪声测量器中的一个主要环节 根据膜片感受声压的情况不同 传声器可分为三类 压强式传声器 其膜片的一面 感受声压 差压式传声器 其膜片的两面均感受声压 引起膜片振动的力取决于膜 片两面压差的大小 压强和压差组合式传声器 在本实验中用驻极式电容传声器 MSP430G2553 单片机是本设计的核心部分 LMV358 直接与单片机定时 计数 器连接 这种方式简单可行 本实验使用 TFT 显示器 实验结果显示清晰 易于观察记录 2 3 软件设计方案软件设计方案 采用模块化的设计 分为主程序和多个子程序 运行主程序时调用子程序 从 而实现不同模块的功能 三 噪声强度监测器的硬件设计三 噪声强度监测器的硬件设计 3 1 传声器传声器 传声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器 俗称话筒 麦克风 而麦克风主要分为 动圈式和驻极体电容式 其中动圈式传声器音质很好 但体积较大 电容式传声器体积小巧 成本低廉 在手机 电话等设备中应用十分广泛 图 1 2 为常见的两种传声器 兰州交通大学创新实验设计报告 7 动圈式传声器 驻极体电容式传声器 图 1 2 传声器 基于驻极体电容式传声器的诸多优点和试验模块的本身特点 在本次试验模块设计中首选 驻极体电容式传声器 1 驻极体电容式传声器简介 驻极体电容式传声器是用事先已注入电荷而被极化的驻极体代替极化电源的电容传 声器 其有两种类型 一种是用驻体高分子薄膜材料做振膜 振模式 此时振膜同 时担负着声波接收和极化电压双重任务 另一种是用驻极材料做后极板 背极式 这时它仅起着极化电压的作用 由于驻极体传声器具有体积小 价格低廉 电声性能好 结构简单等特点 被广泛应用于无线话筒 盒式录音机及声控等电路中 从而成为最常用 的电容传声器 由于输入输出阻抗很高 所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作 为阻抗转换器 为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压 图 1 3 为本次 试验模块选用的直插电容式传声器EM 9767P 图 1 3 电容式传声器 EM 9767P 2 驻极体电容式传声器结构及工作原理 驻极体传声器的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小 孔的金属电极 背称为背电极 构成 驻极体面与背电极相对 中间有一个极小的空气 兰州交通大学创新实验设计报告 8 隙 形成 一个以空气隙和驻极体作绝缘介质 以背电极和驻极体上的金属层作为两个 电极构成一个平板电容器 电容的两极之间有输出电极 图 1 4 为实际驻极体话筒 内部结构 图 1 4 驻极体话筒内部结构 由于实际电容器的电容量很小 输出的电信号极为微弱 输出阻抗极高 可达数 百兆欧以上 因此 它不能直接与放大电路相连接 必须连接阻抗变换器 通常用一个 专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器 内部电气原理如图1 5 所示 图 1 5 驻极体话筒内部 电气原理 由于高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷 Q 而没有放电回路 所 以这个电荷量是不变的 在声波的作用下 极化膜随着声音震动 因此和背极的距离 也跟着变化 也就是 说极化膜和背极间的电容是随声波变化 的 根据公式 Q CU 则 U Q C 可知 驻极体总的电荷 Q 是不变的 所以当极板在声波压力下后退时 两极 板间距变大 导致电容 C 减小 故电压 U 随电容 C 的变小而变大 反之当电容量增加 兰州交通大学创新实验设计报告 9 时电容两极之间的电压就会成反比的下降 最后通过阻抗非常高的场效应将电容两端 的电压取出来 同时进行 适当的放大 我们就可以得到和声音对应的电压了 由于场 效应管是有源器件 需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态 因此 驻极体话筒 都要加一个直流偏置才能工作 这就是驻极体话筒的工作原理 3 EM 9767P 传感器的性能参数 传声器的类型很多 本设计选用EM 9767P 作为传声器 其相关电性能参数为 基准工作电压 Standard Operation Voltage 3VDC 阻抗 Impedance 2 2k maximum 灵敏度 Sensitivity 52dB 2dB 0dB 1V ubar 1kHz 信噪比 S N Ratio 60dB 消耗电流 Current Consumption 0 5mA maximum 频率响应曲线 Frequency Response 如图 1 6 所示 图 1 6 EM 9767P 传声器的频响特性曲线 2 LMV358 运算放大器 本设计选用的运放是 TI 公司的 LMV358 低功耗运算放大器 其优点为 双通道低电压 2 7 5V 版本 rail to rail 输出摆幅能力 共模输入电压范围宽 包括接地 单位增益频带宽 约 1MHz 双极性输入与输出 提高了抗噪声性能的阶段和更高的输出电流驱动 低的供应电流 约 145uA 工作温度范围 40 至 125 兰州交通大学创新实验设计报告 10 无交越失真 节省空间包装 适用于任何一种电池供电和便携式电子设备 基于以上优点 LMV358 运算放大器被广泛的应用于 移动电话 个人数据助理 A D 缓冲 区 便携式测试仪器 遥控器的红外接收器 音频应用 硬盘驱动器等 用户可参考其数据手 册对其进行详细了解 3 2 硬件电路硬件电路 1 前置放大电路 由于传声器的输出与声音的大小有关 小可至微伏级别 如果直接输入单片机 的 ADC 信号将很难被采集到 所以适当的放大信号 对整个系统的灵敏度 测试的 稳定性 ADC 的采集与转换等都有很大的影响 经传声器转换后的声音信号从LMV358的3端输入 即为同向比例运算放大电路的 接法 而同向比例运算放大器由于引入了深度电压负反馈 所以其输出电阻很小 Ro约为0 而根据 虚断 的概念 该电路的输入电流为0 所以输入电阻很大 Ri 为无穷 由同向比例运算放大器的增益计算方法可知 其放大倍数为 Au R2 R1 1 100K 2K 1 51 而放大后的信号由LMV358的1端 经过负载R5输出 而负载电容C7与R5组成一个RC滤波电路 滤除因输入端引入的干扰噪声 平滑电压 信号 如图所示 2 峰值检波电路 峰值检波电路是一种能记忆信号峰值的电路 其输出电压的大小 一直追随输 入信号的峰值 而且保持在输入信号的最大峰值 本设计加入峰值检波电路 为单 兰州交通大学创新实验设计报告 11 片机的采集和处理带来了很大的方便 这是一个典型的峰值检波电路 放大后的信号从LMV358的3端输入 我们可以控 制电容C3的放电过程 即当P2 0置高时 三极管Q1导通 保持器电容放电 当P2 0 置低时 三极管Q1截止 峰值信号可以被锁存在保存器中 同时 该电路还加入一 定的保护措施以及阻抗匹配电路 如跟随器等 使得该电路可以重复的工作 检 波后的信号由LMV358的7端输出 通过I O口P1 3与单片机相连 四 噪声强度监测器的软件设计四 噪声强度监测器的软件设计 应用程序 应用程序 include msp430g2553 h include math h include TFT h const unsigned char tab 数据表 文字 声 宋体 12 此字体下对应的点阵为 宽 x 高 16x16 兰州交通大学创新实验设计报告 12 0 x01 0 x00 0 xFF 0 xFE 0 x01 0 x00 0 x01 0 x00 0 x7F 0 xFC 0 x00 0 x00 0 x3F 0 xF8 0 x21 0 x08 0 x21 0 x08 0 x3F 0 xF8 0 x20 0 x08 0 x20 0 x00 0 x40 0 x00 0 x40 0 x00 0 x80 0 x00 0 x00 0 x 00 文字 音 宋体 12 此字体下对应的点阵为 宽 x 高 16x16 0 x01 0 x00 0 x00 0 x80 0 x3F 0 xFC 0 x08 0 x20 0 x04 0 x20 0 x04 0 x40 0 xFF 0 xFE 0 x00 0 x00 0 x1F 0 xF0 0 x10 0 x10 0 x10 0 x10 0 x1F 0 xF0 0 x10 0 x10 0 x10 0 x10 0 x1F 0 xF0 0 x10 0 x10 文字 强 宋体 12 此字体下对应的点阵为 宽 x 高 16x16 0 x00 0 x00 0 x79 0 xF8 0 x09 0 x08 0 x09 0 x08 0 x79 0 xF8 0 x40 0 x40 0 x43 0 xFC 0 x42 0 x44 0 x7A 0 x44 0 x0A 0 x44 0 x0B 0 xFC 0 x08 0 x40 0 x08 0 x48 0 x08 0 x44 0 x28 0 x7E 0 x13 0 xC4 文字 度 宋体 12 此字体下对应的点阵为 宽 x 高 16x16 0 x01 0 x00 0 x00 0 x80 0 x3F 0 xFE 0 x22 0 x20 0 x22 0 x20 0 x2F 0 xFC 0 x22 0 x20 0 x23 0 xE0 兰州交通大学创新实验设计报告 13 0 x20 0 x00 0 x27 0 xF8 0 x22 0 x10 0 x21 0 x20 0 x20 0 xC0 0 x41 0 x30 0 x46 0 x0E 0 x98 0 x04 文字 d 宋体 12 此字体下对应的点阵为 宽 x 高 8x16 0 x00 0 x00 0 x00 0 x06 0 x02 0 x02 0 x02 0 x1E 0 x22 0 x42 0 x42 0 x42 0 x26 0 x1B 0 x00 0 x00 文字 B 宋体 12 此字体下对应的点阵为 宽 x 高 8x16 0 x00 0 x00 0 x00 0 xF8 0 x44 0 x44 0 x44 0 x78 0 x44 0 x42 0 x42 0 x42 0 x44 0 xF8 0 x00 0 x 00 define CPU F double 时钟定义在 1MHz define delay us x delay cycles long CPU F double x 0 精确延时 1us define delay ms x delay cycles long CPU F double x 1000 0 精确延时 1ms void ADC10 Init void ADC10CTL1 CONSEQ 2 单通道多次转换 这句应当写在最前面 ADC10CTL0 REFON SREF 1 REF2 5V 打开 2 5V 正参考 地为负参考 默认 1 5V ADC10CTL0 ADC10ON ADC10SHT 3 ADC10IE 打开 ADC10 内核 设定采 兰州交通大学创新实验设计报告 14 样保持时间为 64 个 ADC10CLK 使能 ADC10 中断 ADC10CTL1 INCH 7 SHS 0 ADC10SSEL 2 input A7 采样保持 MCLK 参考时间 ADC10AE0 0 x80 0X08 P1 7 DC option select A7 模拟信号输入使能 void show tab set position 0X00 0X0f 0X30 0X3f 声 for int i 0 i 32 i unsigned char m tab i for int j 0 j 8 j if m else write data 0 xff 0 xff m 1 兰州交通大学创新实验设计报告 15 set position 0X10 0X1f 0X30 0X3f 音 for int i 0 i 32 i unsigned char m tab i 16 2 for int j 0 j 8 j if m else write data 0 xff 0 xff m 1 set position 0X20 0X2f 0X30 0X3f 强 for int i 0 i 32 i unsigned char m tab i 16 4 for int j 0 j 8 j if m else write data 0 xff 0 xff m 1 set position 0X30 0X3f 0X30 0X3f 度 for int i 0 i 32 i unsigned char m tab i 16 6 for int j 0 j 8 j if m else write data 0 xff 0 xff m 1 兰州交通大学创新实验设计报告 17 set position 0X70 0X77 0X30 0X3f d for int i 0 i 16 i unsigned char m tab i 16 8 for int j 0 j 8 j if m else write data 0 xff 0 xff m 1 set position 0X78 0X7f 0X30 0X3f B for int i 0 i 16 i unsigned char m tab i 16 9 for int j 0 j 8 j if m else write data 0 xff 0 xff m 8 判断采样的次数 若采样次数等于 8 作下面处理 兰州交通大学创新实验设计报告 20 m 0 ave AD Result 3 对累加和求平均 AD Result 0 dB1 ave 2 5 1023 dB long 8 120 log10 dB1 dB long 20 0 08 ave P2OUT BIT4 五 调试与分析五 调试与分析 5 1 调试故障及原因分析调试故障及原因分析 1 线路错误 在实际焊硬件电路 由于线路较多 焊错电路 如焊完电路时发现电路所有的 电源线与地线全部相通 且单片机不正常工作 经查是时钟电路没有接地 改正后 晶振就可以启动 单片机就可以正常工作了 2 提供电源错误 在整个的电路中 刚开始我给所有电路提供 5v 的电源 但电压 频率转换器的 输出端却没有频率信号的输出 经过再次的确认 发现 LM331 的工作电压是 15v 当接入 1